三元催化器对GDI车辆PM2.5排放的影响

钟祥麟，李君，李昂

（1.中国汽车技术研究中心，北京 100176；2.天津大学，天津 300072）

三元催化器对GDI车辆PM2.5排放的影响

钟祥麟1,2，李君1，李昂1

（1.中国汽车技术研究中心，北京 100176；2.天津大学，天津 300072）

本文利用ELPI对满足国Ⅴ排放标准的GDI汽油车进行颗粒物排放测试，对比了三元催化器前后颗粒物排放的粒度分布特性和瞬态排放特性。研究结果表明：不论冷热启动状态，GDI汽油机颗粒物排放在催化器后均有一定下降，且在催化器前后的粒度分布基本保持一致；在催化器前后GDI汽油机PM2.5排放，均为数量浓度占比大，质量占比小，采用传统的颗粒物称重的方法已不足以来衡量GDI汽油车PM2.5的排放特征。

三元催化器；GDI汽油车；颗粒物排放；PM2.5

钟祥麟

毕业于吉林大学，研究生学历，工作单位：中国汽车技术研究中心，研究方向：机动车颗粒物排放。

1 前言

大气环境PM2.5排放是目前广受社会公众关注的一个问题，相关的研究报告表明机动车PM2.5排放是大气PM2.5排放的一个主要排放源，而且相对于PM10排放比重更高，对人体健康危害更大。我国当前的排放法规对颗粒物排放的限制是以质量为衡量标准，从国际趋势看，欧5标准在质量和数量两个方面都加以限制，可以预见颗粒物的数量排放，也将是我国推行未来排放法规的一个关注重点。基于我国乘用车的发展特点，虽然没有大力发展柴油车，但是采用GDI技术的汽油车型在市场上占有率越来越高，而GDI技术的大范围应用，相对于传统的MPI汽油机，其带来的颗粒物排放问题将不可忽视。

目前GDI汽油车所配装的后处理系统为三元催化器，对常规排放物CO、THC和NOx起催化净化效果，但其对颗粒物的排放是否有影响作用，本文将基于整车测试，选用法规标准的NEDC工况循环，利用ELPI对GDI车辆三元催化器前、后的颗粒物排放采样分析，研究发动机原始颗粒物排放和经过三元催化器后颗粒物的质量排放和数量排放变化。

2 试验方案

研究选取国内两款典型排量的GDI试验车辆，车辆A为1.6L排量，车辆B为2.0L排量。试验在温湿度可控的环境仓内进行，由底盘测功机提供道路模拟阻力，所选车辆按GB 18352.3-2005中规定的I型试验方法开展试验，采用NEDC工况循环[1]。热启动试验为了保证试验初始状态的一致性，车辆均以80 km/h的速度运行10 min后停车，重新点火采用NEDC工况循环开始热启动试验。试验过程中，对催化器前、后的颗粒物排放测量则由目前使用比较广泛的静电低压撞击器ELPI(electrical lowpressure impactor)直采测量。ELPI是对颗粒物粒径尺寸及分布进行测量的专用仪器, 可在不同运行工况下实时测量发动机排放颗粒物的质量和数量分布特性。国内外相关研究已经证明ELPI在台架和底盘测功机上的可行性[2,3]。ELPI的最低切割直径可达7 nm左右，最高可达10 μm。与传统的碰撞式采样器不同，颗粒物在进入ELPI切割器之前通过电晕放电荷电，在每一级切割器测量由带电颗粒产生的电流，在已知荷电效率的情况下，可推算每一级颗粒物的粒数浓度。

试验对车辆A、B催化器前、后的颗粒物瞬态排放特性进行采样分析，并对车辆A催化器前的颗粒物原始排放进行冷、热起动排放对比试验。

3 试验结果分析

图1为车辆A、B催化器前后的颗粒数量-粒径分布特性，可以看到颗粒物经过三效催化器，数量浓度有一定的降低，催化器前后的颗粒物数量—粒径分布保持一致，没有改变，GDI汽油机的颗粒物数量峰值粒径接近于0.1 μm，属于积聚态颗粒物，因此GDI汽油机所排放的颗粒物数量中，PM2.5占绝大部分，粒径大于PM2.5的颗粒数量相对较少。

图2 为颗粒质量-粒径分布特性，可以得出，颗粒物经过三元催化器，质量浓度有一定的降低，催化器前后的颗粒物质量-粒径分布保持一致，没有改变，当GDI汽油机颗粒物排放的质量达到峰值时，其颗粒粒径为大于PM2.5的颗粒物。

综合分析颗粒物的数量和质量粒径分布，图3为车辆A、B催化器前的颗粒物原始排放粒度分布情况，通过分析，可以看出GDI汽油机的PM2.5排放，数量浓度占据主要位置，但PM2.5的质量排放在其颗粒物总体质量排放中，却占比很低。因此，采用传统的颗粒物称重的方法来衡量PM2.5排放大小，已经不能足以说明其PM2.5的排放特征。态排放对比，结合图2所示车辆A的质量-粒度排放特性，可以看出GDI车辆在热启动情况下，可以大幅降低机动车颗粒物的原始数量排放，从图4中更是可以清晰的看到，在NEDC循环全程，热起动的颗粒物原始排放均明显低于冷起动，而且在冷起动的循环初期和高速大负荷阶段，热起动时的颗粒物原始排放值更是大幅降低。

从图5中可以看到，催化器前后的颗粒物排放变化基本一致，在NEDC循环全程，催化器后的颗粒物排放均明显低于催化器前。

4 结论

1) 不论冷热启动状态，GDI汽油机PM2.5排放在催化器后均有一定下降，且在催化器前后的数量-粒径分布基本保持一致。

2) 在催化器前后GDI汽油机的PM2.5排放，均为数量浓度占比大，质量占比小，采用传统的颗粒物称重的方法已不足以来衡量PM2.5的排放特征。

[1] 国家环境保总局. GB18352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）. 北京：中国环境科学出版社，2005.7:34-39.

[2]Coen Van GuL ijk, Jan C M Marijnissen, MichielMakkee, et al. The Choice of Instrument ( ELPI and /orSMPS) forDiesel Soot ParticulateMeasurement [ C ]. SAE Paper 2003 - 01 - 0784.

[3] Chase Richard E, MattiMaricqM, Podsiadlik Diane H, et al. TimeResolved Measurements of Exhaust PM forFTP75: Comparison of L II, ELPI, and TEOM Techniques[C ]. SAE Paper2004 - 01 - 0964.

专家推荐

罗马吉：

目前国内对满足国Ⅴ排放标准的GDI汽油车的颗粒物排放研究较少，论文对认识国ⅤGDI汽油车的PM排放及三元催化器对PM排放的作用有很大帮助。

Effect of Three-way Catalytic Converter on the PM2.5 Emission of GDI Vehicle

ZHONG Xiang-lin1,2, LI Jun1, LI Ang1
( 1.China Automotive Technology and Research Center, Beijing 100176, China; 2.Tianjin University, Tianjin 300072, China )

This article makes use of the ELPI device to test the particulate emissions of the GDI gasoline vehicles which meet the China V emission standards., The particulate matter size distribution characteristics and the transient emission characteristics before and after the three-way catalytic converter are compared. The research results show that: regardless of hot and cold start state, GDI gasoline engine particulate matter emission in the catalytic converter has decreased, and the particle size distribution in catalytic converters before and after the basic consistency; in the catalytic converter before and after GDI gasoline engine PM2.5 emissions are accounted for, the number concentration than the big, quality accounted for a small, using the method of particle emission characteristics the traditional weighing has been insufficient to measure the GDI gasoline vehicle PM2.5.

TWC; GDI gasoline vehicle; particulate emission; PM2.5

U467.4+8

A

1005-2550（2016）01-0022-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.004

2015-04-01